Дефекты кристаллической решетки

Кристаллы полупроводников в реальных условиях никогда не являются идеальными. Их структура всегда содержит отклонения от правильной периодической решётки. Эти отклонения называются дефектами кристаллической решётки. Дефекты оказывают существенное влияние на электрические, оптические, магнитные и тепловые свойства полупроводников. Их можно разделить на несколько основных классов:

Точечные дефекты – локализованные нарушения порядка, затрагивающие отдельные атомы или вакансии.
Линейные дефекты – протяжённые нарушения, связанные с несовершенством расположения атомных рядов.
Плоскостные дефекты – несовершенства, затрагивающие целые поверхности раздела в кристалле.
Объёмные дефекты – крупные неоднородности, включения и поры.

Каждый тип дефектов имеет собственные механизмы образования, энергетические характеристики и специфическое влияние на свойства полупроводников.

Точечные дефекты

Точечные дефекты представляют собой наиболее распространённый класс. Они включают:

Вакансии – отсутствие атома в узле кристаллической решётки. В полупроводниках вакансии могут захватывать электроны или дырки, образуя ловушки.
Междоузельные атомы – атомы, оказавшиеся не в своём узле, а в междоузельном пространстве. Такие дефекты приводят к локальным искажениям решётки и могут быть донорными или акцепторными центрами.
Примесные атомы – инородные элементы, внедрённые в решётку. Они бывают:
- изовалентные (замещающие атомы с тем же числом валентных электронов, не влияющие сильно на проводимость),
- донорные или акцепторные (вносящие свободные электроны или дырки).
Антисайтовые дефекты – характерные для соединений типа AIIIBV или AIIBVI, когда атомы разных подрешёток меняются местами.

Энергетически точечные дефекты могут создавать локализованные уровни в запрещённой зоне, что существенно изменяет электронные свойства материала.

Линейные дефекты

Дислокации – основные представители линейных дефектов. Они представляют собой нарушения в расположении атомных плоскостей и бывают двух типов:

Краевая дислокация – возникает при внедрении или удалении дополнительной атомной полуплоскости.
Винтовая дислокация – возникает при сдвиге атомных рядов по винтовой линии.

В полупроводниках дислокации создают локальные поля напряжений, которые изменяют энергетическую структуру зон и могут выступать центрами рекомбинации носителей заряда. Высокая плотность дислокаций приводит к снижению подвижности электронов и дырок, а также уменьшает время жизни неосновных носителей.

Плоскостные дефекты

Плоскостные дефекты возникают на границах областей, где нарушен порядок атомной упаковки:

Границы зёрен – поверхности раздела между кристаллитами в поликристаллических материалах. Эти границы содержат высокую концентрацию вакансий и междоузельных атомов.
Слоевые дефекты (стэкинг-фолты) – нарушения в чередовании атомных плоскостей, особенно характерные для кристаллов с кубической или гексагональной упаковкой.
Границы двойников – симметричные отражения решётки относительно определённой плоскости.

Эти дефекты играют ключевую роль в росте и формировании полупроводниковых плёнок, так как влияют на рекомбинационные свойства и теплопроводность.

Объёмные дефекты

Крупные нарушения структуры, включающие:

Примесные фазы – области, содержащие атомы, не растворённые в решётке.
Поры и пустоты – полости, образующиеся при неравновесных процессах роста кристалла.
Природные включения – например, металлические частицы или диэлектрические оксиды в объёме полупроводника.

Такие дефекты резко ухудшают механические и электрические характеристики материала, создавая каналы повышенной проводимости или локальные центры рассеяния.

Механизмы образования дефектов

Дефекты возникают на разных стадиях:

Рост кристалла – при охлаждении расплава, в процессе эпитаксии или при неидеальных условиях выращивания.
Облучение – воздействие быстрых частиц или фотонов высокой энергии приводит к выбиванию атомов из узлов.
Термическая активация – при высоких температурах вероятность диффузии атомов и возникновения вакансий увеличивается.
Механическое воздействие – деформация кристалла приводит к генерации дислокаций и трещин.

Влияние дефектов на свойства полупроводников

Электрические свойства: дефекты создают ловушки и центры рекомбинации, снижают подвижность носителей и уменьшают время их жизни.
Оптические свойства: наличие локальных уровней в запрещённой зоне приводит к дополнительным полосам поглощения и люминесценции.
Механические свойства: высокая концентрация дислокаций снижает прочность кристалла и облегчает пластическую деформацию.
Тепловые свойства: дефекты усиливают рассеяние фононов, снижая теплопроводность.

Таким образом, дефекты не являются лишь «недостатками» материала: в ряде случаев именно их контролируемое введение обеспечивает создание полупроводниковых приборов (например, легирование примесями или создание центров рекомбинации в светоизлучающих структурах).